李 超，郭 嘉

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利協(xié)作北京中心機械部，北京100000）

1 前言

番茄色選機是一種利用成熟番茄與非成熟番茄以及其他異物之間的光學(xué)及色度差之間的區(qū)別進行識別，采用剔除機構(gòu)將非成熟番茄以及其他異物分選出來的一種新型機械。

由于目前新疆的實際情況是大多數(shù)番茄在收獲過程或者工廠深加工過程中，都選用人工進行番茄分選，來提高番茄的質(zhì)量，這樣一來難以適應(yīng)大規(guī)模工廠化生產(chǎn)的需要，嚴重制約了番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此番茄色選機的研制是大勢所趨的。

番茄色選機主要由無損傳送系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及分選控制系統(tǒng)等部分組成，其中檢測部分是整個番茄色選機的核心部分。在檢測系統(tǒng)中，被檢測的番茄必須要求有勻、高亮度的光線進行照明，并且在CCD上成很清晰的像來滿足檢測需要，因此需要我們完成一種滿足要求的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

光學(xué)系統(tǒng)位于檢測系統(tǒng)的前端，其性能之優(yōu)劣直接影響到采集圖像的質(zhì)量、后續(xù)圖像算法處理。系統(tǒng)由以下幾部分組成：光源系統(tǒng)、成像模塊及接收模式。

2 光源系統(tǒng)

光源需滿足條件：可以調(diào)節(jié)光的照度以提高圖像質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊、便安裝于有限的空間內(nèi)；不僅能按照生產(chǎn)線速度，而且能根據(jù)番茄表面的光潔度來調(diào)節(jié)光的照度。

在實際生產(chǎn)中，環(huán)境光線經(jīng)常發(fā)生變化，光源所發(fā)出的能量也必須做出相應(yīng)的變化，使得攝像系統(tǒng)所獲得的圖像質(zhì)量（包括明暗程度、反差和分辨率）保持不變。因此，在選擇線光源時，需考慮在特定檢測線上能使待檢缺陷以盡量高的分辨率得到重現(xiàn)。另外，光源等級與番茄速度、最大檢測分辨率有著特定的關(guān)系，其中特別是光源的均勻性和強度必須滿足很高的要求，因為這直接影響圖像質(zhì)量和檢測性能。

為達到這一目的，我們選擇了一種新型的綠色LED線光源。在當(dāng)代照明技術(shù)的飛速發(fā)展中LED以其壽命長、成本低、體積小、重量輕、產(chǎn)生熱量小且沒有噪聲和振動、形狀組合自由、顏色選擇方便等優(yōu)點已逐漸成為視覺領(lǐng)域照明光源當(dāng)之無愧的佼佼者，而巧妙的選擇照明色往往會產(chǎn)生意想不到的效果，穩(wěn)定均勻的照明光源在圖像識別中有著及其重要的作用。

照度是光通量與被照面積之比值，照度不夠會降低圖像對比度，而過大則功耗大并且需要散熱處理。CCD接受的照度應(yīng)該大于它的最低響應(yīng)照度，小于其飽和照度?？紤]光譜、照度、均勻性及照射角度對圖像識別的影響和設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，選用LED照明光源，能清晰反映中心視場，加強邊緣效果。設(shè)備運行中可以根據(jù)芯片與引腳的表面特性靈活選擇照明方式、調(diào)節(jié)照度大小，以滿足圖像識別的需要。

光源長度足夠覆蓋整個皮帶寬（1.04m）以照明板面。這種LED光源具有如下特性：快速達到照明穩(wěn)定狀態(tài)，高照度輸出，高均勻性，壽命長（100000h），光源自身實現(xiàn)線聚焦照明，光源發(fā)光投射在待檢番茄經(jīng)過的皮帶下方方向形成一道狹細、均勻照明的亮帶。而且，LED線光源照明波長與我們選用的線陣CCD傳感器件的峰值響應(yīng)波長相互匹配，這使得線陣CCD傳感器能以很高的靈敏度完成光電轉(zhuǎn)換。

光源投射在皮帶上形成亮帶的照度，既要確保缺陷暗信號的有效檢出，又不能使缺陷亮信號致使CCD曝光飽和，在計算中以暗信號的有效檢出為準，對于亮域成像，可以調(diào)節(jié)鏡頭光圈來達到要求。

3 光源系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

為了使表面缺陷檢測系統(tǒng)易于升級與維護,表面檢測系統(tǒng)基于模塊化的設(shè)計思想。

（1）線光源照明模。線光源設(shè)計時需考慮在特定的檢測線上能使待檢缺陷以盡量高的分辨率得到復(fù)現(xiàn)。另外，光源等級與輸送帶板速度、最大檢測分辨率有著特定的關(guān)系。其特別是光源的均勻性和強度必須滿足很高的要求，因為這直接影響圖像質(zhì)量和檢測性能。為實現(xiàn)這一目的，開發(fā)了一種特殊的綠色LED光源，光源長度足夠覆蓋整個色選機輸送帶的帶寬(1.04 m)以照明板面。這種LED光源具有如下特性:快速達到照明穩(wěn)定狀態(tài)，高照度輸出，高均勻性(±10%)，壽命長(100000 h)，實現(xiàn)線聚焦照明。光源發(fā)光投射在輸送皮帶表面板寬方向形成一道狹細、均勻照明的亮帶。而且LED線光源照明波長與我們選用的線陣CCD傳感器件的峰值相應(yīng)波長相互匹配，這使得線陣CCD傳感器能以很高的靈敏度完成光電轉(zhuǎn)換。

（2）CCD成像模塊。番茄色選機的輸送皮帶寬度為1040 mm，橫向?qū)挾葹?.8mm，因此CCD傳感器的總像元數(shù)N=1040mm/0.8mm=1300。待檢番茄輸送帶運行最大速度為1.5 m/s，而縱向分辨率為0.8mm，因此CCD器件的幀轉(zhuǎn)移頻率fsh=(1.5*103mm/s)/(0.8mm)=1875Hz。如果只用一個CCD傳感器，經(jīng)計算因成像光路過長而難以實現(xiàn)。因此，采用帶寬方向，兩個CCD傳感器視場分割的辦法，這樣成像光路減為一半而易于實現(xiàn)。線陣CCD攝像機采用IL-P4作為圖像傳感器件，該CCD具有7μm的像素、100%的填充比，總像素數(shù)為4096像元，幀轉(zhuǎn)移率高達14kHz.雙CCD傳感器、并行處理的設(shè)計使得缺陷檢測滿足高分辨率、高檢測速度的要求。而且，攝像機通過安裝在輥軸上的光電編碼器與輸送帶的運行速度同步，以控制線陣CCD傳感器的積分時間，確保采集圖像具有恒定的縱橫比。為減少輸送帶振動的影響，采用遠心成像光路以獲取高質(zhì)量的圖像。在計算鏡頭參數(shù)如焦距、數(shù)值孔徑與視場角時，應(yīng)綜合考慮各方面因素。

根據(jù)缺陷的光學(xué)特性的差異，通過優(yōu)化設(shè)計光源、攝象機及模板間的相對位置，系統(tǒng)的檢測光路可相應(yīng)地配置為如下三種形式：明域、暗域和微光域。明域光路主要適于檢測散射的缺陷類型；暗域光路主要適于檢測表面上反射光線和吸收光線的缺陷類型；微光域光路則適于檢測微小的和低對比度的缺陷類型。

根據(jù)實際生產(chǎn)需要，我們選擇暗域光路我們建立下面的實驗，如圖1所示。

經(jīng)過實驗，番茄色選機的色選過程中青番茄、土塊作為主要檢測缺陷，并且可以很好地完成檢測任務(wù)。為了保證系統(tǒng)可靠性，以及所有的上述缺陷最大可能地被檢出，必須配置好相應(yīng)的照明和接收模式，而且這些照明模式并不相互獨立，而是相互影響。

（3）成像系統(tǒng)及參數(shù)計算。成像系統(tǒng)采用幅面分割的方式實現(xiàn)，如圖2所示，這樣設(shè)計使得成像光路減為一半并易于實現(xiàn)。檢測系統(tǒng)理論上可以達到0.22mm的橫向分辨率，0.11 mm的縱向分辨率，因此整個系統(tǒng)具有很強的可升級與擴展性，以滿足更高的檢測要求。

對于單個CCD，CCD長度I=4096×7μm=28.7mm，幀轉(zhuǎn)移頻率fsh為14kHz。橫向分辨率HFOV為0.8mm，縱向VFOV分辨率為0.8mm。

單個CCD對應(yīng)視場寬度S取1000 mm，帶速為1.5m/s.設(shè)相距為ID，物距為OD，則放大率:β=u/v=[ID]/[OD]=f/([OD]-f)=28.7mm/1000mm=0.0287mm。當(dāng)焦距f=35mm時，物距為:[OD]=((1/β)+1)×f=(34.84+1)×35mm=1254.51mm。則半視角ω>arctan(I/2f)=(28.7mm/2×35mm)=22.3°則視場角大于44.6°?，F(xiàn)在根據(jù)照度匹配來計算F數(shù)，如圖3所示:所選擇的LED線光源幅出度E為0.1938W/cm2，設(shè)番茄鏡面表面的反射系數(shù)為0.8，則經(jīng)過反射后的輻射出射度R為0.155 W/cm2。設(shè)物方孔徑角為U，鏡頭直徑為D，而在較小的空間立體角范圍內(nèi)，番茄表面可看做是余弦輻射體，那么光亮度為:L=R/U.而:U=2×arctan(D/2/[OD])，設(shè)透鏡的光透比為 Tr，則有CCD傳感器面上的輻照度:E=Tr×π×L×[2(f/D)*(β+1)]2，由于傳感器的面積等于4096×0.7μm×0.7μm=2007μm2，CCD在波長等于660nm的時候的靈敏度為10[DN]/(nJ/cm2)，[DN]為CCD攝像機的轉(zhuǎn)換位數(shù)，當(dāng)傳感器曝光飽和時，最大[DN]為256，行轉(zhuǎn)移周期Tsh=1/fsh=1/1875Hz=0.5ms。那么飽和時，入射到傳感器上的總光能為:Q=256/10=25.6nJ/cm2，那么飽和時CCD面上最大照度為:Es=25.6nJ/cm2/0.5ms=51.2mW/cm2。

注意這里計算沒有考慮到波長影響，而且只是計算光軸上的點,考慮到暗域時的照明及環(huán)境影響,根據(jù)光源計算的CCD輻照度應(yīng)遠大于這個值.對于暗域時的照明情況,通過調(diào)節(jié)光圈可以使CCD不至于曝光飽和.通過優(yōu)化計算,并考慮到更高速度的檢測情況。

經(jīng)過計算光亮度L為34988.7W/m2·sr,通過試驗驗證,滿足傳感器的照明需要。最后系統(tǒng)選擇了選擇F型接口的Nikon鏡頭,法蘭焦距46.50mm±0.10mm,鏡頭焦距為35mm,視場角為45°,F數(shù)為1。

實驗證明，從光源照明到CCD傳感器完成光電轉(zhuǎn)換成像，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計滿足0.8mm×0.8mm檢測分辨率、1.5m/s檢測速度的要求?？紤]到檢測現(xiàn)場的實際情況，應(yīng)對系統(tǒng)進一步完善，以減小現(xiàn)場環(huán)境溫度變化以及振動等帶來的負面影響。

3 結(jié)語

本文從番茄色選集光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原則出發(fā)，對光源選用、光源系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)進行了闡述，該系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，此設(shè)計方法還可以作為其它種類色選機光學(xué)系統(tǒng)的參考。

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